為什么和計(jì)算機(jī)相比，人腦更高效
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人工智能的訊息一個接著一個，大家是否覺得人的大腦就是比不上計(jì)算機(jī)？但是，事實(shí)并不是這樣。今天這篇告訴你，人類大腦比計(jì)算機(jī)更高效！ 作者介紹 駱利群，科研大牛，斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院教授，以及神經(jīng)生物學(xué)教授。 大腦是復(fù)雜的，每個人類大腦包含約1000億個神經(jīng)元，能產(chǎn)生100多萬億個連接。它和另一個復(fù)雜的系統(tǒng)，電子計(jì)算機(jī)，有很多相似之處。 兩者都具有強(qiáng)大的問題處理能力，都包含大量基本單元：人腦有神經(jīng)元，電腦有晶體管。這些基本單元都相連成復(fù)雜的環(huán)路，處理以電信號形式傳輸?shù)男畔?/strong>。整體上看，人腦和計(jì)算機(jī)也有著相似的架構(gòu)：用于輸入、輸出、中央處理和記憶存儲的環(huán)路可以被大致區(qū)分開，又能協(xié)同工作。[1] 那誰處理問題的能力更強(qiáng)？人腦還是計(jì)算機(jī)？ 考慮到過去幾十年計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展之快，你可能會覺得答案是計(jì)算機(jī)。的確，通過適當(dāng)?shù)慕M裝構(gòu)建和編程，計(jì)算機(jī)已經(jīng)能在復(fù)雜游戲中打敗人類頂尖高手了：上世紀(jì)90年代它打敗了國際象棋世界冠軍，最近Alpha Go打敗了圍棋頂尖高手，還有百科知識競賽電視節(jié)目《危險邊緣》（Jeopardy?。┲袡C(jī)器人也獲得了勝利。 然而，在我落筆之際，人類仍然能在眾多日常任務(wù)中更勝一籌，例如在擁擠的城市街道上認(rèn)出一輛自行車或一個特定的人，例如舉起茶杯將它平穩(wěn)地移到嘴邊 ，更不用說大腦還有概念化能力和創(chuàng)造力。 圖片來源: Youtube/Fast Solution 那為什么計(jì)算機(jī)擅長完成某類任務(wù)，而人腦在其他方面更為優(yōu)秀？ 人腦 VS. 計(jì)算機(jī) 我們先來看計(jì)算機(jī)和人腦的一些對比數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)工程師和神經(jīng)科學(xué)家都曾從計(jì)算機(jī)和人腦的對比分析中得到過啟示。這種對比最早可以追溯到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時代早期一本簡短卻影響深遠(yuǎn)的書：《計(jì)算機(jī)與人類大腦》（The Computer and the Brain），作者、博學(xué)家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）在20世紀(jì)40年代開創(chuàng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至今仍是大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。[2] 我們來看看數(shù)字上的比較（表1）。 表1中數(shù)據(jù)，參考文末來源2，3。關(guān)于計(jì)算機(jī)信息，a) 基于2008年的電腦數(shù)據(jù)；b) 晶體管數(shù)量依據(jù)摩爾定律（每個集成電路的晶體管的數(shù)量每18-24個月就會翻一番），近些年由于能量消耗和熱散逸，晶體管的數(shù)量增長有所放緩。 速度和精度方面，計(jì)算機(jī)勝! 從表格對比中可看出：計(jì)算機(jī)在基本運(yùn)算速度方面有著人腦難以企及的巨大優(yōu)勢[3]。 現(xiàn)在的個人計(jì)算機(jī)可以以每秒100億次的速度執(zhí)行基本的算術(shù)運(yùn)算，比如加法。 那人腦呢？我們可以根據(jù)神經(jīng)元傳遞信息的基本過程和的通訊速度來估計(jì)大腦中基本運(yùn)算的速度。舉個例子，神經(jīng)元“激起”動作電位（action potential）被稱為“放電”，也就是在神經(jīng)元細(xì)胞胞體附近引發(fā)電信號的尖峰（spike），尖峰電位沿著稱為軸突（axon）的細(xì)胞突起傳遞，軸突末端又與下游神經(jīng)元相連。信息以這些尖峰的出現(xiàn)時間和出現(xiàn)頻率編碼。神經(jīng)元放電的頻率最高大約每秒1,000次。 “放電”示意圖。圖片來源: gfycat.com/action potential 再舉個例子，神經(jīng)元主要通過在軸突終端特定結(jié)構(gòu)，突觸（synapse）上釋放化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)來將信息傳遞給下游神經(jīng)元，后者將其重新轉(zhuǎn)換為電信號，這個過程我們稱之為突觸傳遞。突觸傳輸最快大約需要1毫秒。因此無論是尖峰還是突觸傳遞，大腦每秒最多可執(zhí)行大約1000次基本運(yùn)算，比計(jì)算機(jī)慢1000萬倍。[4] t突觸傳遞。圖片來源：sciencenewsforstudents.org 計(jì)算機(jī)在基本運(yùn)算的精確度方面也占有巨大優(yōu)勢。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)分配給每個數(shù)字的位（Binary digit，比特，二進(jìn)制數(shù)位，0和1）以期望的任何精度表示數(shù)量（數(shù)字）。比如，一個32位數(shù)字的精度可達(dá)2^32分之一，也就是40多億分之一。 而人腦，由于生物噪聲，神經(jīng)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理量，例如神經(jīng)元發(fā)放率，只存在幾個百分點(diǎn)的可變性，最好的情況下精確度能達(dá)到百分之一，僅是計(jì)算機(jī)的百萬分之一。注：神經(jīng)元發(fā)放率常被用來表征刺激強(qiáng)度。 然而，大腦的計(jì)算表現(xiàn)既不算慢也不算壞。比如，一個職業(yè)的網(wǎng)球選手可以追蹤高達(dá)160英里/小時速度運(yùn)行的網(wǎng)球的運(yùn)動軌跡，移到球場最佳位置，揮動手臂，甩動球拍，將球擊回對面，一系列動作發(fā)生在幾百毫秒之間。 但是，大腦完成所有這些任務(wù)（在其控制的身體的幫助下），功耗比計(jì)算機(jī)大約低十倍。 耗能，人腦勝！ 為什么大腦可以做到低能耗？ 因?yàn)橛?jì)算機(jī)和大腦，兩者系統(tǒng)內(nèi)部處理信息的模式不同。計(jì)算機(jī)任務(wù)主要以順序步驟執(zhí)行，這點(diǎn)我們可以從工程師創(chuàng)建順序指令流的編程方式中看出來。對于這種連續(xù)級聯(lián)運(yùn)算，每個步驟都需要高度精確，因?yàn)檎`差會在連續(xù)步驟中積累、放大。 大腦也使用連續(xù)步驟來處理信息。在網(wǎng)球回?fù)舻睦又校畔难劬飨虼竽X，然后傳向脊髓，從而控制腿部、軀干、手臂和手腕的肌肉收縮。 但大腦還多一個處理方式：大腦還同時采用大規(guī)模的并行處理信息，通過利用數(shù)量眾多的神經(jīng)元和每個神經(jīng)元發(fā)出的大量連接。 例如，移動的網(wǎng)球會激活視網(wǎng)膜中許多稱為光感受器的細(xì)胞，這些細(xì)胞的作用是將光轉(zhuǎn)換為電信號。電信號隨之被并行傳送給視網(wǎng)膜中許多不同類型的神經(jīng)元。只消兩個至三個突觸傳遞的時間，球的位置、方向、速度的相關(guān)信息已經(jīng)被不同神經(jīng)環(huán)路提取，并平行地傳輸?shù)酱竽X。 移動的網(wǎng)球。圖片來源：giphy.com 同樣地，運(yùn)動皮層（大腦中負(fù)責(zé)有意識運(yùn)動的部分）會發(fā)出平行的指令分別控制腿部、軀干、手臂和手腕的肌肉收縮，這樣身體和手臂能同時協(xié)調(diào)，調(diào)整身體到接球的最佳姿勢。 這種大規(guī)模并行策略是可行的，因?yàn)槊總€神經(jīng)元都從許多其他神經(jīng)元那兒輸入、輸出信息。來自單個神經(jīng)元的信息可以被傳遞到許多并行的下游路徑。與此同時，許多處理相同信息的神經(jīng)元，可以將它們的輸入信息集中到相同的下游神經(jīng)元。注：一個哺乳動物神經(jīng)元平均有數(shù)以千計(jì)的輸入和輸出。 神經(jīng)元發(fā)“放電”。圖片來源：gfycat.com 而這種集中到下游神經(jīng)元的處理方式，對于提高信息處理的精度也很有用。例如，由單個神經(jīng)元表示的信息可能是“嘈雜”的（比如說，精確度為1/100）。通過取平均值，下游的神經(jīng)元小伙伴通常能夠從100個輸入神經(jīng)元中提取更精確的信息（這種情況下，精確度能到千分之一） [6]。 相比之下，計(jì)算機(jī)每個晶體管僅有三個輸入和輸出節(jié)點(diǎn)。 信號方面，人腦再勝！ 計(jì)算機(jī)和大腦相比，基本單元的信號模式也有相同和不同之處。 相同之處，在于計(jì)算機(jī)和人腦都使用數(shù)字信號。 計(jì)算機(jī)的晶體管的數(shù)字信號，使用離散值（0和1）來表示信息；人腦的神經(jīng)元軸突中的峰值也是一個數(shù)字信號，因?yàn)樯窠?jīng)元在任何時間要么處于尖峰狀態(tài)，要么處于非激活狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)元被激活時，所有尖峰都是差不多相同大小、形狀，這一特性有助于實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)距離尖峰傳播。 不同之處在于，人腦的神經(jīng)元還可以利用模擬信號，它使用連續(xù)的值來表示信息。一些神經(jīng)元（像我們視網(wǎng)膜中的大多數(shù)神經(jīng)元）是無尖峰的，它們的輸出通過分級的電信號傳輸?shù)模ㄅc尖峰信號不同，它的大小可以連續(xù)變化），可傳輸比尖峰信號更多的信息。[7] 回?fù)艟W(wǎng)球的例子還彰顯了大腦另一個顯著特點(diǎn)：它可以基于當(dāng)前狀態(tài)和歷史經(jīng)驗(yàn)，修改神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度。神經(jīng)科學(xué)家們普遍認(rèn)為，這是學(xué)習(xí)與記憶的基礎(chǔ)。重復(fù)的訓(xùn)練能使神經(jīng)元環(huán)路為任務(wù)優(yōu)化其連接方式，從而大幅提高速度與精確度。 神經(jīng)元放電。圖片來源：gfycat.com 其實(shí)，計(jì)算機(jī)借鑒了人腦 在過去的幾十年里，工程師不斷受大腦啟發(fā)來改進(jìn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。并行處理的原則，還有根據(jù)使用情況調(diào)整連接強(qiáng)度，都被納入了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。比如，增加并行性，即在單個計(jì)算機(jī)中使用多個核心處理器，已經(jīng)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢。 又比如，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的“深度學(xué)習(xí)”，近年來取得了巨大的成功，計(jì)算機(jī)和移動設(shè)備中的物體識別和語音識別方面的迅速進(jìn)展都得益于它，其就是受到了哺乳動物視覺系統(tǒng)的啟發(fā)[8]。 和哺乳動物的視覺系統(tǒng)一樣，深度學(xué)習(xí)采用越來越深的層次來表示越來越抽象的特征（比如視覺目標(biāo)或者言語），不同層次之間的連接權(quán)重也通過機(jī)器學(xué)習(xí)動態(tài)調(diào)整，而不是由工程師手工設(shè)計(jì)。這些最新進(jìn)展已經(jīng)擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的任務(wù)的指令表。盡管如此，大腦還是比最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)具有更高的靈活性、泛化與學(xué)習(xí)能力。 圖片來源: pinterest/brain cell biology 隨著神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)越來越多關(guān)于大腦的秘密（在計(jì)算機(jī)更得力的輔助下），工程師可以從大腦的工作原理中獲得更多靈感，進(jìn)一步改善計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)。最后，不管特定任務(wù)中誰將成為贏家，跨學(xué)科交融無疑會促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程的發(fā)展。 原文：http://nautil.us/issue/59/connections/why-is-the-human-brain-so-efficient 翻譯：刀娘 校對：顧金濤 編輯：EON
原文發(fā)表于《智庫：四十位科學(xué)家探索人類經(jīng)驗(yàn)的生物根源》（Think Tank: Forty Scientists Explore the Biological Roots of Human Experience），由David J. Linden編輯，由耶魯大學(xué)出版社出版。 該文章在 2018/6/11 15:42:06 編輯過 |
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